我国农田重金属污染生态修复技术与应用
李振国+余光辉+张勇+李文慧+宋焱+苏明燕
摘要：肥料是农业土壤中重金属的主要来源之一。本文收集了主要肥料中重金属的含量，以及湖南省1989年～2012年耕地面积和农田施肥量，计算了湖南省单位面积耕地重金属元素的累积量，评价了农业生产中施肥对农田重金属污染的贡献。结果发现，肥料中重金属含量最高的为磷肥和复合肥。农田重金属输入量最多的是Zn，达到了2.5151 kg·hm-1，其次是Cr，输入量为1.3683 kg·hm-1，Cu的输入量为0.1573 kg·hm-1，As为0.1103 kg·hm-1，Pb、Ni、Hg和Cd的输入量分别为0.0855 kg·hm-1、0.0617 kg·hm-1、0.0220 kg·hm-1和0.0023 kg·hm-1。磷肥和复合肥是农田重金属的重要来源。
关键词：重金属；土壤；肥料；湖南省
基金项目：湖南省教育厅资助科研项目16A068；地理空间信息湖南省工程实验室开放基金资助项目2014GISNELJJ003
中图分类号： X825 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.16.029
肥料在为农作物提供生长所需的养分元素的同时，也会向土壤中输入一定量的重金属元素[1-3]。中国农业土壤的重金属元素超标呈现面积扩大和程度加重的趋势。2000年对湖南农田保护区进行了有害金属抽样检测，结果显示，在30万公顷农田中，有3.6万公顷土壤重金属超标[4]。国外对化肥中的重金属已有较多的研究[5-8]，但国内的研究起步较晚。我国是一个农业大国，农业产业的安全状况对国家经济安全和人民健康至关重要，因而研究施肥与农田重金属超标的关联性具有重要的现实意义。本文主要基于1989年以来湖南省的农田施肥量，分析农田重金属随时间变化的累积情况，估算了施肥对农田重金属的贡献，为合理施肥提供参考依据。
1 研究区概况
湖南省位于中国中南部，长江以南，南岭以北，地处东经108°47′～114°05′和北纬24°38′～30°08′之间，总面积21.18万公顷。自古以来，湖南就有“九州粮仓”“鱼米之乡”的美誉。近年来，由于不合理的利用耕地資源，导致湖南省局部地区农业生态环境恶化[9]。湖南省25.83%的农田灌溉水、26.38%的耕地和18.29%的农田均受到不同程度的污染，土壤重金属超标严重，致使土壤环境质量下降，有的甚至不得不弃耕[10-12]。
2 数据采集
本文数据来源为《湖南统计年鉴》和《湖南年鉴》，整理了有化肥施用记录开始1952年到2012年期间，每年的化肥施用量，其中自1980年开始有氮肥、磷肥、钾肥及复合肥的分类数据统计。同时，收集整理了公开发表文献中的肥料重金属含量。
3 结果分析
3.1 施肥量快速增长，氮肥施用量最多
湖南省农田施用化肥的记录可追溯至1952年。1952年～1963年的11年间，化肥使用的实物量由0.2万吨增加至23.91万吨，平均每年增加2.16万吨；1964年以后化肥施用量迅速增加，到2012年，化肥年使用量达到855.23万吨，平均每年增加17.135万吨（如图1）。
常见化肥中，氮肥的施用量最多，1980年为217.34万吨，2012年增长至420.76万吨，增长了203.42万吨，年均增长6.37万吨，增长率为93.6%；磷肥由127.85万吨增长至199.32万吨，增长了71.47万吨，年均增长2.23万吨，增长率为55.9%；钾肥由12.82万吨增长至86.06万吨，增长了73.24万吨，年均增长2.29万吨，增长率为571.29%；复合肥由3.03万吨增长至149.09万吨，增长了146.06万吨，年均增长4.56万吨，增长率为4820.46%。
3.2 土壤中重金属的输入量及累积量
通常情况下，氮肥和钾肥中的重金属含量较低，而磷肥和有机肥中重金属的含量较高[13]。以下分别分析氮肥、磷肥、钾肥和复合肥中的重金属含量情况，进而得出其对土壤中重金属输入量的贡献值。
3.2.1 肥料中重金属的含量情况 肥料中各种重金属的含量如表1所示，各种肥料中重金属含量的差别很大。Cu的含量复合肥中最多，达10.97 mg·kg-1，其次是磷肥和钾肥，氮肥中的含量最少，为0.41 mg·kg-1；Cr在磷肥中的含量最多，数值远远大于其他肥料，且钙镁磷肥中的含量远大于过磷酸钙中的含量，达到156.93 mg·kg-1，而氮肥中Cr的含量最少，仅为0.245 mg·kg-1；Cd在复合肥和磷肥中的含量较多，均超过0.1 mg·kg-1，在钾肥中含量较少，氮肥中最少，最多仅为0.0005 mg·kg-1；Hg在过磷酸钙中的含量最多，为2.31 mg·kg-1，其次是复合肥、钙镁磷肥和钾肥，在氮肥中的含量仅为0.094 mg·kg-1；As的含量复合肥中最多，达10.02 mg·kg-1，其次是磷肥，氮肥中含量最少；Zn的含量依然在复合肥中最多，达348.2 mg·kg-1，远大于其他肥料中的含量，钾肥和氮肥中Zn的含量较少；Ni的含量在复合肥中最多，为11.74 mg·kg-1，氮肥中最少，为0.22 mg·kg-1，磷肥和钾肥中的含量不详；Pb在磷肥中的含量最多，过磷酸钙和钙镁磷肥中的含量分别达到了8.35 mg·kg-1和6.20 mg·kg-1，复合肥和氮肥中的含量较少，钾肥中最少，最多仅为0.0008 mg·kg-1[14-16]。
化肥中重金属的含量与化肥生产原料中的重金属含量及其生产工艺有关，氮肥与钾肥中的重金属元素含量低，主要是由于氮肥和钾肥的生产原料中重金属含量较低，合成过程中产生的废弃物又带走了一部分重金属元素。生产磷肥的磷矿石原料中通常含有较多的Cd、Pb、Hg、As等重金属元素，并且国外的磷矿石原料中Cd的含量普遍高于国内磷矿石的重金属含量，因而磷肥中重金属元素的含量较高。复合肥为人工配制，不同复合肥的各种原料使用量可能会有较大的差异，另外，复合肥中可能会掺入有机肥料，故而复合肥中的重金属元素含量最高，且差异较大。
3.2.2 施肥造成的重金属累积不容忽视 对比国家有机、无机复混肥料标准（GB18877-2002），市售肥料中重金属含量均未超标，但因施肥造成的重金属累积不容忽视。根据湖南省统计年鉴，自1989年～2012年（不包括2006年和2009年）各种肥料的累积施用量，其中施用量最多的是氮肥，共施用了8451.11万吨；其次是磷肥，累积施用了3898.30万吨；复合肥和钾肥的施用量比氮肥和磷肥少得多，复合肥共施用了1589.46万吨，钾肥共施用了1315.33万吨；氮肥、磷肥、钾肥和复合肥共施用了15254.20万吨。湖南省耕地共计积累Cu 596150.68公斤，Cr 5184951.64公斤，Cd 8542.77公斤，Hg 83327.87公斤，As 418166.06公斤，Zn 9530491.73公斤，Ni 233851.53公斤，Pb 323842.94公斤；单位面积耕地累积量最多的是Zn，达到了2.5151 kgohm-1，其次是Cr，单位面积的累积量也达到了1.3683 kgohm-1，单位面积Cu的累积量为0.1573 kgohm-1，As为0.1103 kgohm-1，Pb、Ni、Hg和Cd的单位面积累积量分别为0.0855 kgohm-1、0.0617 kgohm-1、0.0220 kgohm-1和0.0023 kgohm-1。
不同肥料输入土壤中的重金属的含量存在着相当大的差异。Cu的输入量磷肥中最多，达314716.91公斤，其次是复合肥，输入量为196191.87公斤，钾肥和氮肥的输入量较少，分别为47249.80公斤和37992.10公斤；Cr的输入量在磷肥中也是最多的，达到4645495.29公斤，复合肥中为516753.76公斤，氮肥中Cr的输入量最少，为22702.59公斤；Cd通过磷肥和复合肥输入土壤中的量较多，分别为4489.85公斤和3272.90公斤，通过钾肥输入的量较少，为733.69公斤，氮肥的输入最少，仅为46.33公斤；Hg通过磷肥的输入量最多，为55160.98公斤，其次是复合肥，通过复合肥输入土壤的重金属含量为16419.02公斤，通过氮肥输入的量为8710.38公斤，通过钾肥输入的量为3037.49公斤；As的输入量中，磷肥和复合肥所占比重最多，通过磷肥输入的量为186863.17公斤，通过复合肥输入的量为182191.16公斤，通过氮肥输入的量较少，为49111.73公斤；Zn的输入量在复合肥中最多，达6331233.55公斤，其次是磷肥，输入量为2606677.03公斤，通过氮肥和钾肥输入的Zn较少，分别为451271.98公斤和141309.18公斤；Ni的输入量在复合肥中最多，为213465.53公斤，氮肥中最少，为20386.00公斤，磷肥和钾肥中Ni的含量不详，因而通过磷肥和钾肥向土壤中輸入的Ni的含量也不详；Pb通过磷肥的输入量最多，为311082.27公斤，复合肥和氮肥中的含量较少，分别为11636.96公斤和1111.96公斤，通过钾肥的输入量最少，仅为11.74公斤。
4 讨论
磷肥由于主要来源于天然矿物，因此重金属含量最高，且由于产地不同重金属含量变化很大。所以，施用磷肥时尤其应关注其重金属的累积问题。另外，农家有机肥的重金属含量较化肥还要严重，在各种禽畜废弃物生产的有机肥料中，鸡粪有机肥中Cu、Zn、Hg的含量较高；猪粪有机肥中As的含量超过或接近限定值，Cu和Zn的含量很高；牛粪有机肥中重金属的含量最少[15]。由于缺少有机肥使用的统计数据，本文未加计算，农田中因施肥造成的重金属累积问题更加严重。
5 结论
农田中施肥量在逐年增多，磷肥和复合肥对农田重金属的积累贡献较大，而氮肥和钾肥输入土壤中的重金属较少。农田输入量最多的重金属是Zn，达到了2.5151 kg·hm-1，其次是Cr，输入量为1.3683 kg·hm-1，Cu的输入量为0.1573 kg·hm-1，As为0.1103 kg·hm-1，Pb、Ni、Hg和Cd的输入量分别为0.0855 kg·hm-1、0.0617 kg·hm-1、0.0220 kg·hm-1和0.0023 kg·hm-1。
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作者简介：李振国，博士，讲师，研究方向：环境保护与污染治理的研究和教学。
